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Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 3914 (2023) Citar este artigo

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Combinando fluidez líquida e condutividade metálica, as ligas de gálio-índio (Ga-In) estão se destacando em áreas como circuitos eletrônicos elásticos e dispositivos médicos vestíveis. Devido à alta flexibilidade, a impressão direta com tinta já é amplamente empregada para impressão de ligas Ga-In. Atualmente, a extrusão pneumática é o principal método de impressão direta com tinta, mas a película de óxido e a baixa viscosidade das ligas Ga-In dificultam o controle após a extrusão. Este trabalho propôs um método para impressão direta com tinta de ligas Ga-In utilizando extrusão acionada por microvibração. A microvibração reduz a tensão superficial das gotas da liga Ga–In e evita o aparecimento de gotas aleatórias durante a impressão. Sob microvibração, a ponta do bocal perfura a pele de óxido para formar pequenas gotas que possuem alta moldabilidade. O processo de crescimento de gotículas é significativamente retardado pela otimização de parâmetros de microvibração adequados. Portanto, as gotas da liga Ga-In com alta moldabilidade podem ser mantidas no bocal por um longo período, o que melhora a capacidade de impressão. Além disso, melhores resultados de impressão foram obtidos com microvibrações, escolhendo a altura adequada do bocal e a velocidade de impressão. Resultados experimentais demonstraram a superioridade do método em termos de controle de extrusão de ligas Ga-In. Com este método, a capacidade de impressão dos metais líquidos é aprimorada.

As ligas à base de gálio, que são metais líquidos com baixos pontos de fusão, são comumente usadas em eletrônica flexível1,2, síntese de materiais3,4, eletrônica elástica5,6, sensores7,8 e outras áreas devido às suas propriedades físicas únicas. As capacidades de moldagem das ligas Ga-In são aprimoradas pela combinação da tecnologia de impressão 3D. No entanto, as ligas Ga-In são oxidadas rapidamente no ar para formar uma pele de óxido natural que é um material viscoelástico9. A pele de óxido domina as propriedades reológicas e reduz a tensão superficial10, que é a chave para obter a impressão das ligas Ga–In11. No processo de impressão 3D de ligas Ga–In por extrusão pneumática, a película de óxido causa grandes gotas de liga Ga–In no bocal, diminuindo a moldabilidade12. Então, o processo de extrusão é difícil de controlar. A dificuldade de controlar a extrusão faz com que as ligas Ga-In gerem gotas de tamanho aleatório durante o processo de impressão. Essas gotículas de tamanho aleatório afetarão os requisitos de resolução13,14 e condutividade15 da estrutura impressa. Assim, muitos pesquisadores propuseram métodos para evitar a criação de gotículas de tamanho aleatório. Três métodos são adotados para auxiliar a extrusão pneumática de metais líquidos.

A impressão é realizada quebrando a pele de óxido através de uma força externa. Cook et al.16 propuseram que as gotas eram extrudadas, mas não caídas, controlando com precisão a pressão de extrusão, e a força de cisalhamento entre as gotas e o substrato era usada para aderir os metais líquidos ao substrato. Ladd et al.17 romperam a camada de óxido por força de tração para formar fios de metal líquido independentes. No entanto, o método de destruição da pele de óxido por força externa geralmente apresenta requisitos mais elevados para o processo de impressão, como controle preciso da altura do bocal. As características reológicas dos metais líquidos foram alteradas pela combinação de materiais metálicos ou não metálicos, permitindo que o metal líquido mantivesse sua forma mesmo após a extrusão. Wu et al.14 propuseram uma tinta de microgel líquida misturando microgel de alginato de sódio, que reduziu a enorme tensão superficial e melhorou o desempenho de adesão. Chan et al.13 sugeriram uma pasta de metal líquido reciclável e reversível pela combinação de partículas de SiO2, o que melhorou as propriedades de adesão dos metais líquidos. De acordo com Daalkhaijav et al.18, a adição de materiais condutores de nano ou microníquel a metais líquidos melhoraria seu módulo de elasticidade e tensão de escoamento e permitiria a impressão 3D. O problema do controle preciso do metal líquido extrudado pode ser efetivamente resolvido pela adição de outros materiais, mas a aplicação também é limitada pelos materiais adicionados. A impressão por coextrusão coaxial foi alcançada redesenhando a estrutura mecânica do bocal. Para obter um fluxo contínuo e estável de metal líquido, Khondoke et al.19 desenvolveram um bocal de coextrusão coaxial que poderia envolver o metal líquido em um elastômero termoplástico e extrudá-lo junto. Wu et al.20 sugeriram um bocal coaxial com a extensão do bocal interno para envolver e extrudar metal líquido de forma constante e eficaz, o que poderia adquirir impressão de metal líquido de resolução múltipla. Mas a estrutura 3D não pode ser impressa empilhando gotículas de metal líquido com este método. O método acima resolve parcialmente o problema da pele de óxido no processo de impressão de metal líquido, mas o processo de impressão, materiais ou estruturas formadas de metal líquido são limitados até certo ponto. A fim de reduzir a influência da pele de óxido nos resultados de impressão sem limitar o material ou processo, propusemos um método de impressão 3D de microvibração para extrusão de metal líquido. Usando este método, a pele de óxido da gota é quebrada quando a gota não se expande para um tamanho suficiente. Este método evitará efetivamente a ocorrência de gotas aleatórias na estrutura de impressão.